量子物質(zhì)中的量子和熱漲落相互作用，又有了新研究發(fā)現(xiàn)！

莫納什大學(xué)一項新的理論研究，提高了我們對量子物質(zhì)中量子和熱漲落(或激發(fā))之間相互作用的理解。研究發(fā)現(xiàn)，玻色-愛因斯坦凝聚體(BEC)中的雜質(zhì)，在溫度升至零開爾文以上時顯示出有趣的能譜，基態(tài)準(zhǔn)粒子分裂成許多分支，這取決于與玻色-愛因斯坦凝聚體周圍熱云的相互作用，模型顯示準(zhǔn)粒子分支的數(shù)量簡單地由熱云空穴激發(fā)數(shù)量決定。

莫納什大學(xué)物理與天文學(xué)學(xué)院的博士生伯納德說：這就是說，包括最多一個洞會產(chǎn)生一個裂口，兩個洞會產(chǎn)生兩個裂口，以此類推，其研究發(fā)表在《物理評論A》期刊上。冷原子氣體作為“完美的試驗臺”：冷原子氣體被用來研究耦合到量子介質(zhì)上的雜質(zhì)影響，這一場景與從場效應(yīng)晶體管到中子星中質(zhì)子行為的一切都有關(guān)。冷原子氣體提供了一個特別干凈和靈活的系統(tǒng)來探測量子雜質(zhì)行為：

能讓雜質(zhì)與介質(zhì)的相互作用從弱耦合到強(qiáng)耦合，并揭示了雜質(zhì)因介質(zhì)激發(fā)而變得“修飾”的方式。具體地說，這項新研究集中在玻色-愛因斯坦凝聚體中的雜質(zhì)，也就是所謂的玻色極化子。以前的研究預(yù)測，當(dāng)溫度升高超過零開爾文時，玻色極化子的能譜將分裂成兩個偶數(shù)分支。莫納什大學(xué)的研究發(fā)現(xiàn)：這一結(jié)果是假設(shè)介質(zhì)只有一個粒子，空穴激發(fā)的結(jié)果，當(dāng)包含更多的孔時，結(jié)果是更多的分割。

由于在一個真實(shí)的系統(tǒng)中可能會有大量激發(fā)，研究預(yù)計實(shí)際的玻色極化子在低溫下會出現(xiàn)一個單一的寬峰。然而，值得注意的是，研究發(fā)現(xiàn)這種行為與人們從量子漲落和量子相變標(biāo)準(zhǔn)理論中所預(yù)期的根本不同。研究人員使用了一種優(yōu)雅的變分方法，其中包括雜質(zhì)和玻色-愛因斯坦凝聚體之間的多體關(guān)聯(lián)，從而超出了該領(lǐng)域的當(dāng)前技術(shù)水平。

最值得注意的是，對玻色極化子基態(tài)能量的理論結(jié)果與更密集的量子模型和實(shí)驗非常吻合。玻色-愛因斯坦凝聚體中的雜質(zhì)，具有可調(diào)諧的玻色子-雜質(zhì)相互作用，這樣的玻色極化子被預(yù)測在有限溫度下表現(xiàn)出一個有趣的能譜，當(dāng)溫度從零開始升高時，基態(tài)準(zhǔn)粒子均勻地分裂成兩個分支。為了研究這一理論預(yù)測，采用了新發(fā)展起來的一種變分方法，系統(tǒng)地包含了雜質(zhì)和有限溫度介質(zhì)之間的多體關(guān)聯(lián)，從而使研究可以超越以前的有限溫度方法。

最重要的是，研究發(fā)現(xiàn)準(zhǔn)粒子分支的數(shù)量，簡單地由熱云的空穴激發(fā)數(shù)來設(shè)置，這樣包括最多一個空穴就會產(chǎn)生一次分裂，包括兩個空穴就會產(chǎn)生兩次分裂，以此類推。此外，這種效應(yīng)與雜質(zhì)質(zhì)量無關(guān)。因此，精確的基態(tài)準(zhǔn)粒子將演化成單一的寬峰溫度。在低溫和足夠弱的玻色子-玻色子相互作用下，在零溫極限下，研究計算的基態(tài)極化子能量與量子蒙特卡羅結(jié)果和實(shí)驗符合得很好。

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博科園｜研究/來自：ARC未來低能耗電子技術(shù)卓越中心

研究發(fā)表期刊《物理評論A》

DOI: 10.1103/PhysRevA.101.013623

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